Physique appliquée BTS 2 Electrotechnique

Transcription

1 Physique appliquée BTS 2 Electrotechnique Mécanique du solide Mécanique du solide Page 1 sur 33

2 1. Principe fondamental de la dynamique appliquée au solide Le mouvement de translation Application sur le mouvement de translation Le mouvement de rotation Vitesse Accélération Moment de forces : Moment d inertie Principe fondamental de la dynamique en rotation Application sur le mouvement de rotation Aspect énergétique des mouvements de rotation et de translation Notion d énergie Energie cinétique de translation Energie cinétique de rotation Energie potentielle de pesanteur Energie potentielle des ressorts Energie mécanique totale Conservation de l énergie Travail d une force Variation d énergie mécanique totale Notion de Puissance Notion de rendement Application sur l énergie en mécanique Différents type de charges mécaniques Exemple de charge à couple constant, parabolique, hyperbolique Point de fonctionnement des machines Problèmes d application Enrouleur Véhicule automoteur Traction électrique Mécanique du solide Page 2 sur 33

3 1. Principe fondamental de la dynamique appliquée au solide 1.1. Le mouvement de translation Newton ( ) a permis, grâce à 3 lois, de décrire le mouvement des solides.nous allons dans un premier temps étudier les cas des mouvements en translation. Première loi : Lorsque la somme des forces extérieures s appliquant sur un objet est nulle, alors le solide est soit immobile ou se déplace à vitesse constante par rapport à un référentiel. C est ce qu on appelle le principe d inertie. Deuxième loi de newton : 0 Lorsque la somme des forces extérieures s appliquant sur un objet est non nulle, alors le solide est soumis à une accélération constante. Troisième loi de Newton : C est le principe d action et de réaction.. Les forces se produisent toujours par paires. Si l'objet A exerce une force F sur l'objet B, alors l'objet B exerce une force égale et opposée -F sur l'objet A Mécanique du solide Page 3 sur 33

4 1.2. Application sur le mouvement de translation Exercices sur la première loi de Newton : Exercice1 : Une boule de billard roule sur une table horizontale. Elle n'est soumise qu'à son poids et à la réaction normale de la table et on précise que ces deux forces ont même norme. Sens du mouvement En déduire la nature du mouvement de la boule. Exercice 2 : On considère une balle de tennis «en vol». Les frottements sont négligés. Examiner les forces qu'elle subit et en déduire la nature de son mouvement Exercice 3 : On considère une sonde spatiale dans le vide, loin de toute planète et étoile. A quelles forces est-elle soumise? En déduire la nature de son mouvement. Mécanique du solide Page 4 sur 33

5 Exercice sur la deuxième loi de Newton : Exercice 4 : Un cycliste est en train de démarrer : les frottements qu'il subit sont négligeables. Après avoir examiné les forces qui s'exercent sur lui, en déduire son mouvement. Exercice 5 : Un corps de 10 kg est en mouvement rectiligne uniformément accéléré avec une accélération de 5 m/s².quelle est la force qui lui est appliquée? Exercice 6 : Une force de 3000N est appliquée à une auto de 1500 kg au repos. Quelle sera son accélération et sa vitesse après 5s d accélération? Exercice 7 : Une auto de 1000 kg passe de 10 m.s -1 à une vitesse de 20 m.s -1 en 5s. Quelle est la force qui lui est appliquée? Exercice 8 : Sur une table parfaitement lisse, un corps de 12 kg, initialement au repos, est entraîné par une force de 20 N. Calculer la vitesse acquise et la distance parcourue après 2s. Exercice 9 : Calculer la force constante qui agit sur une voiture d une tonne au repos, sachant que celle-ci atteint une vitesse de 100 km/h en 15 s sur une route horizontale. Calculer l espace parcouru avant d atteindre cette vitesse. Exercice 10 : Les freins d une auto de 1,5 tonne peuvent exercer une force de 4000N. Quel est le temps nécessaire pour ralentir l auto de 30m/s à 8 m/s? Quelle est la distance parcourue pendant ce temps? Mécanique du solide Page 5 sur 33

6 Exercice 11 : Une masse de 10 kg est posée sur une table horizontale. Quelle force constante faut-il lui appliquer pour que la vitesse acquise après 2s soit de 4m/s? On sait qu elle part du repos et que les forces de frottement sont évaluées à 4 N dans la direction du mouvement. (rép : 24N) Exercice de calcul de la poussée d'archimède ( troisième loi de Newton) : Exercice 12 : Un bloc de béton de 2 m x 1,5 m x 0,5 m se trouve au fond d'un port. 1 m 3 de béton pèse 3 tonnes Quel est le poids de la poussée d'archimède Quel volume d'air faut-il avoir pour remonter ce bloc? ρ eau de mer = 1024 kg m 3 Exercice 13 : Solide suspendu à un ressort Un solide S de masse m est accroché à un ressort de constante de raideur k. A l équilibre le ressort s allonge d une longueur x 1. Un becher contenant de l eau à une masse m 1. Le solide S est plongé dans l eau du becher. Un nouvel équilibre est observé. L allongement du ressort devient égal à x 2 et la masse de l ensemble est m Établir l expression de l allongement x 1 en fonction de m, g et k. 2- Établir l expression de l allongement x 2 en fonction de m, m e, g et k. Comparer à x Exprimer la différence de pesée m 2 m 1 (on considère le système {eau, becher}). 4- Exprimer la masse m eau en fonction de x 2 et x 1,k et g. Rappel : l intensité de la tension d un ressort a pour expression F = k x. Mécanique du solide Page 6 sur 33

7 Exercice 14 : Iceberg Un iceberg a un volume émergé V e = 600 m 3. La masse volumique de l iceberg est ρ 1 = 910 kg m 3 et celle de l eau de mer est ρ 2 = 1024 kg m Schématiser l iceberg flottant et tracer les forces auxquelles il est soumis à l équilibre. 2- Déterminer une relation entre le volume émergé V e, le volume totale V t et les masses volumiques. 3- Calculer le volume V t et la masse m de l iceberg Exercice 15 : Paquebot La masse d un paquebot est de tonnes. Quel est le volume de la partie immergée dans l eau de mer de densité 1,028, ou dans l eau douce? Mécanique du solide Page 7 sur 33

8 1.3. Le mouvement de rotation Vitesse Quand un point se déplace sur une courbe circulaire d un angle dθ durant un temps dt, on peut écrire : R.dθ R dθ On peut noter que :..Ω Avec :.V Vitesse en m par seconde (m.s -1 ) R rayon en mètre (m). position angulaire en radians (Rad) Ω vitesse angulaire en radians pas seconde (rad.s -1 ) Mécanique du solide Page 8 sur 33

9 Accélération Lorsque le point se déplace sur une courbe parfaitement circulaire le vecteur vitesse change de direction à chaque instant : 2 1 R dθ Cela signifie que l accélération / ne sera pas nulle. Cette accélération peut être décomposée en deux composantes - accélération tangentielle : T (porté par la tangente au cercle au point considéré) - accélération normale(ou radiale) : N (porté par le rayon OM) La vecteur accélération est défini par la relation Dans le cas d un mouvement circulaire, le vecteur accélération peut prendre diverses orientations, mais il sera toujours orienté vers l intérieur du cercle. Mécanique du solide Page 9 sur 33

10 Expression des accélérations :.Ω 2 2 Et Ω Dans le cas d un mouvement à vitesse constante, Ω ne varie pas et 0 Pour mettre en mouvement un solide autour d un axe de rotation,il faut considérer le moment des forces appliquées par rapport à cet axe de rotation et le moment d inertie Moment de forces : Le moment d une force qui s exerce sur un solide par rapport à un axe de rotation est défini par le produit du bras levier et de la norme de force considérée. Avec : /. / moment de la force F par rapport à O en Newton mètre (Nm) F en Newton (N).d distance du bras de levier en mètre (m) Le moment d une force dans le cadre d un mobile en rotation autour d un axe est appélé également couple. Mécanique du solide Page 10 sur 33

11 Moment d inertie L inertie est caractérisé par le paramètre J nomé le moment d inertie : Avec : J moment d inertie en Kg.m²!" #.r distance entre les élément de masse et le point de rotation..dm élément de masse constituant le solide mis en mouvement de rotation Mécanique du solide Page 11 sur 33

12 Principe fondamental de la dynamique en rotation Pour faire évoluer la vitesse de rotation d un solide,il faut fournir un couple d accélération non nul : Avec : J moment d inertie en Kgm² Ω vitesse angulaire en rad.s -1. Ω $ %&& $ '() *+', - $,é/(/%0 T acc Couple d accélération en Newton mètre (Nm) T utile moteur Couple utile moteur en Newton mètre (Nm) T résistant Couple résistant du à la charge en Newton mètre (Nm) 1.4. Application sur le mouvement de rotation Exercice 16 : Le moment d inertie du rotor d un moteur de machine électrique s oppose à sa variation de vitesse angulaire. Plus il sera grand, plus il sera difficile de changer de fréquence de rotation. On assimile le rotor d un moteur à un cylindre homogène de diamètre 250 mm et de hauteur 100 mm et de masse volumique = kg.m -3. a) Calculer son moment d inertie b) Calculer le moment d inertie d un rotor assimilable à un cylindre de même masse, mais ayant un diamètre de 100 mm. c) Citer pour chaque moteur une application où son emploi est souhaitable. Mécanique du solide Page 12 sur 33

13 Exercice 17 : Une machine est entraînée par un moteur électrique de fréquence nominale 1500 tr/min. Celui-ci exerce au démarrage un couple moteur constant de 40 N.m. Le moment d inertie de l ensemble de la chaîne cinématique rapporté à l axe du rotor est de 12,5 kg.m². Le couple résistant dû aux frottements est supposé constant et égal à 4 N.m. a) Calculer l accélération du moteur pendant le démarrage. b) Calculer le temps mis pour atteindre la fréquence nominale. Exercice 18 : Une meule pleine cylindrique de masse volumique kg.m -3 a un diamètre D = 600 mm et une épaisseur e = 50 mm. Elle tourne à la fréquence N de 900 tr/min d un mouvement uniforme quand elle est entraînée par le moteur électrique. On débraye le moteur. La meule n est plus soumise qu au couple de frottement Cf de son arbre sur les paliers. Cf = 5 N.m. a) Calculer Ω b) Calculer le temps d immobilisation c) Calculer le nombre de tours faits pendant ce temps Exercice 19 : Le rotor d'un moteur est assimilé à un cylindre dont on donne les caractéristiques ; ρ désigne la masse volumique. a) Calculer le moment d'inertie du cylindre. b) Le rotor tourne à la fréquence de 600 tr/min d'un mouvement uniforme. Calculer sa vitesse angulaire. c) On coupe l'alimentation du rotor qui n'est donc soumis Mécanique du solide Page 13 sur 33

14 qu'au couple de frottement d'une valeur de 4 N.m. Calculer en appliquant le principe fondamental de la dynamique l'accélération angulaire. d) Calculer le temps mis par le rotor pour être à l'arrêt. Exercice 20 : On considère un cylindre de masse M = 500 g muni d'une gorge périphérique sur laquelle on enroule un fil. On accroche à l'extrémité une masse m et le système se met en rotation. Le graphe obtenu représente la somme algébrique des moments des forces et des couples appliquées au cylindre en fonction de l accélération angulaire Ω. Mécanique du solide Page 14 sur 33

15 a) ) Indiquer ce que représente le coefficient directeur de la droite obtenue. b) ) En déduire le rayon du cylindre. Exercice 21 : Un treuil est constitué d un cylindre homogène de masse M = 20 kg, de rayon r = 10 cm et d axe Z. Une corde enroulée sur le treuil soutient un solide S de masse m = 10 kg. Les masses de la corde et de la manivelle ainsi que toutes les résistances passives (frottements et résistance de l air) sont négligeables. a) Calculer la tension T de la corde en situation d équilibre ou de rotation uniforme b) Calculer l accélération angulaire w du treuil si on lâche la manivelle c) Calculer l accélération linéaire a du solide S dans sa chute lorsqu on lâche la manivelle. Exercice 22 : Un petit gyroscope cylindrique de masse m = 100 g et de 5 cm de rayon tourne autour de son axe à raison de 3600 tours par minute. Sachant qu il s arrête en 3 minutes sous l action de résistances passives équivalentes à un couple que vous supposerez constant : a) Calculer l accélération angulaire 1Ω du gyroscope b) Calculer le moment M du couple résistant c) Calculer le nombre de tours n effectués entre le début du ralentissement et l arrêt. 1 Mécanique du solide Page 15 sur 33

16 2. Aspect énergétique des mouvements de rotation et de translation 2.1. Notion d énergie L énergie se présente sous de multiple forme dans la nature. Elle se conserve et se transforme. Elle permet de déplacer, de déformer des objets, de transformer l état de la matière. On peut citer quelques exemples : Panneau photovoltaïque => Energie rayonnée vers énergie électrique Moteur électrique => Energie électrique vers énergie mécanique Résistance électrique => Energie électrique vers énergie thermique Batterie de voiture => Energie électrique vers énergie chimique (réversible) 2.2. Energie cinétique de translation Le principe d inertie nous indique qu un corps s oppose à la variation de vitesse mais qu il conserve sa vitesse en un mouvement rectiligne uniforme. Si cet objet percute un obstacle dans sa course,il va libérer un force d impact. En fait l énergie stockée sous forme cinétique va être libérée. On la note : 2 &(0é(3' 1 2..# Avec : E cinétiqe Energie cinétique en Joules (J).m masse du solide en kilogramme (kg) V vitesse du solide en m.s Energie cinétique de rotation Mécanique du solide Page 16 sur 33

17 Lorsqu un objet est en rotation autour d un axe, il possède également une énergie cinétique, car le principe d inertie est toujours vrai dans ce cas. On la note : 2 &(0é(3' 1 2..Ω# Avec : E cinétiqe Energie cinétique en Joules (J).J Moment d inertie du solide en Ω vitesse angulaire du solide en rad.s Energie potentielle de pesanteur Lorsqu un objet est en chute libre, le poids de l objet lui communique une accélération. Une énergie dite potentielle se transforme en énergie cinétique. On la note : Avec : 2 4+0()).5.6 E potentielle Energie potentielle en Joules (J).m masse du solide en Kilogramme (kg) g z accélération due à vitesse la pesanteur altitude exprimée en mètre (m) 2.5. Energie potentielle des ressorts Mécanique du solide Page 17 sur 33

18 Pour comprimer un ressort, il faut fournir une force. Si on bloque le ressort, on peut dire que de l énergie potentielle est stockée. En effet, si on libère le ressort, on peut pousser un objet et lui communiquer une vitesse. (Exemple la boule de flipper) On la note : 2 4+0()),//+, # Avec : E potentielle ressort Energie potentielle du ressort en Joules (J).k constante de raideur en joule par m² (J.m -2 ) x longueur de compression ou d extension en mètre (m) 2.6. Energie mécanique totale L énergie mécanique totale est constituée des énergies citée précédemment On la note : 2 *é&%0(3' 2 4+0()) 2 &(0é(3' 2 *é&%0(3' # # 1 2..Ω# 2.7. Conservation de l énergie Mécanique du solide Page 18 sur 33

19 Antoine Laurent de Lavoisier ( ) «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme» Cas de la chute libre :(Frottement de l air négligé On lâche un objet d une altitude Z a et Le sol se trouve à une altitude z b. Z a Energie au point A :Em A =Ep A + Ec A Energie au point B :Em B =Ep B + Ec B Conservation de l énergie : Em A =Em B Z b Soit : L énergie potentielle se transforme en énergie cinétique Ep A + Ec A = Ep B + Ec B.5.? 0.5.?@ A # D #.. A #.5.? C -? A A B2.5.? C -? A 2.8. Travail d une force Lorsqu un solide est soumis à une force,il lui communique de l énergie cinétique. A partir du moment où l application de cette force est maintenue sur une distance non nulle, il faut fournir de l énergie. On dit que cette force travaille. On note l énergie fournit par la relation : 9.: C est un produit scalaire : 9.:.cos Θ : Θ Mécanique du solide Page 19 sur 33

20 2.9. Variation d énergie mécanique totale Lorsqu on fait un bilan d énergie pour un solide, et qu il y a des forces de frottement qui travaillent, alors l énergie se dissipe en chaleur. L équation du bilan d énergie devient donc : Notion de Puissance Em A =Em B + W GHIJKL KMNéIOKPIKL La puissance exprimée en watt et correspond au nombre de Joule fourni ou donné par un mobile en mouvement. On note la relation : Q 9 Si la puissance est constante, on écrira : W = P.t Avec : P W puissance en watt (w) énergie en Joule (J).t temps en seconde (s) Notion de rendement Le rendement est le rapport entre l énergie sortante et l énergie entrante. R S '() S %T/+,Té On pourra également exprimer le rendement par un rapport de puissance : R Q '() Q %T/+,Té Application sur l énergie en mécanique Mécanique du solide Page 20 sur 33

21 Etude d une centrale hydraulique La centrale hydraulique de type Pelton utilise les chutes d eau de grande hauteur pouvant se présenter en montagne. La puissance P (en W) mise en jeu par une chute d eau (de masse volumique = 10 3 kg / m 3 ) de hauteur h (en m) et de débit q (en m 3 /s) est égale à : P = ρ.g.h.q avec g = 9,81 m 2 /s L eau, au bout de sa chute, entraîne une roue à aubes. Celle-ci est accouplée à un alternateur qui fournit au réseau électrique une puissance de 1,1 MW. La turbine présente un rendement η T = 88 %. L alternateur présente un rendement η A = 95 %. 1. Compléter le schéma-bloc ci-dessous représentant le bilan de puissance de la centrale, en indiquant la nature des puissances échangées (entrantes et sortantes) et le rendement de chacun des convertisseurs (turbine et alternateur). Centrale hydraulique Chute d eau. Turbine η T = Alternateur η T = Réseau électrique Puissance. Puissance. Puissance. Puissance. Puissance. 2. Calculer la puissance absorbée par l alternateur. 3. En déduire la puissance perdue par l alternateur. 4. Vérifier que la puissance absorbée par la turbine est de 1316 kw. 5. En déduire la puissance perdue par la turbine. 6. Calculer le rendement η total de la centrale hydraulique. 7. Démontrer que le rendement η total est égal à : η = η T. η A 8. Calculer la hauteur h de la chute d eau sachant que son débit est de 0,3 m 3 /s. 9. La retenue d eau présente une réserve d eau telle que l on puisse turbiner sans arrêt avec un débit de 0,3 m 3 /s pendant un intervalle de temps de durée t 1 : Mécanique du solide Page 21 sur 33

22 Entrée d eau de la rivière captée : 0,125 m 3 /s Réserve d eau de la retenue : 6300 m 3 Prise d eau de la turbine : 0,3 m 3 /s a) Faire le bilan des quantités d eau entrant et sortant de la retenue d eau. b) En déduire la durée t 1 (exprimée en heures) pendant laquelle on peut turbiner sans arrêt avec un débit de 0,3 m 3 /s. c) Si la turbine ne fonctionne pas, calculer le temps t 2 (exprimé en heures) nécessaire pour que la rivière remplisse la réserve d eau de la retenue. 10. Montrer que la centrale électrique ne peut fonctionner que 41,7 % du temps dans les conditions précédentes. Cette centrale peut-elle être utilisée comme outil permanent de production d énergie électrique ou comme outil temporaire permettant de répondre à la demande des heures de pointes? Mécanique du solide Page 22 sur 33

23 Etude de la propulsion d un véhicule électrique Calculer l énergie de démarrage d une voiture (Frottements négligés pour simplifier l étude) Masse m voiture : 1400 Kg ; Rayon des roues : 30 cm Vitesse souhaitée : 100 Km.h -1 ; Temps de démarrage : T dem = 37,5 s Réducteur Moteur.η=0,9 Rapport de réduction R = 0,25 Roue équivalente a) Expression de l énergie cinétique du véhicule E cin voiture : b) Expression de l énergie cinétique de rotation E cin roue de la roue équivalente de masse m voiture. c) Trouver alors l expression du moment d inertie J roue. d) En égalisant les énergies cinétiques de rotation en entrée et sortie du réducteur en tenant compte du rendement, établir l expression de J charge coté moteur. On donne J arbre + réducteur = kg.m² e) Calculer la valeur de J total. f) En appliquant l équation fondamentale de la dynamique, déterminer la valeur du couple d accélération nécessaire. g) En considérant que le couple résistant est faible devant le couple d accélération calculer la valeur de la puissance maximale nécessaire pour obtenir cette accélération. Exprimer cette valeur en CV. h) Que se passe-t-il si on veut démarrer en côte dans une pente à 8%? i) Déterminer alors la puissance nécessaire pour atteindre 80Km.h -1 en 37,5s. Mécanique du solide Page 23 sur 33

24 3. Différents type de charges mécaniques 3.1. Exemple de charge à couple constant, parabolique, hyperbolique. Mécanique du solide Page 24 sur 33

25 Mécanique du solide Page 25 sur 33

26 3.2. Point de fonctionnement des machines. Conditions de démarrage : La machine ne peut démarrer que si le couple de démarrage de la machine est supérieur au couple résistant de la charge. T d > T m => T a dω = J. = T dt m T r T (Nm) Exemples : T (Nm) T d T m = f ( Ω ) T R0 T d T r = f ( Ω ) T m = f ( Ω ) T R0 T r = f ( Ω ) Ω (rad s -1) Ω (rad s -1) Le moteur démarre T d > T R0 Le moteur ne démarre pas T d < T R0 L'accélération est d'autant plus importante que : Tm est grand devant T r ; J est faible. Régime établi (point de fonctionnement) : En régime établi la vitesse est constante. Donc le couple d accélération n existe plus. Si dω Ω = cte => = 0 dt => T m = Tr Mécanique du solide Page 26 sur 33

27 Fonctionnement stable de la machine : T (Nm) T T r = f ( Ω ) A T m = f ( V ) Ω Ω (rad s -1) Le point de fonctionnement stable de la machine est le point où les couples moteur et résistant sont égaux. Remarque : Le moteur est généralement choisi afin que le point de fonctionnement A soit le plus proche possible du fonctionnement en régime nominal. Ralentissement naturel de la machine : Ω (rad s -1) J important Le ralentissement naturel de la machine est obtenu par arrêt à la coupure de l alimentation du moteur à l instant t 0. J faible t0 t (s) Remarque : L'arrêt de la machine est d'autant plus court que le moment d'inertie est faible. À t = t 0 T r + T a = 0 => Tr = Ta => dω Tr = dt J L accélération est négative donc ralentissement de la machine. Mécanique du solide Page 27 sur 33

28 Freinage du moteur : Ω (rad s -1) J faible t0 J important t (s) Pour réaliser un freinage on ajoute à l instant t0 un couple de freinage Cf. À t = t 0 => T r + Ta + Tf = 0 => Tr + Tf = Ta => dω = dt ( T T ) r + J f Le couple de freinage peut être produit par : Un élément mécanique ; Un système électrique extérieur (frein à poudre, frein à courant de Foucault) ; Par le moteur lui-même : Par injection de courant continu ; Un fonctionnement en génératrice. En cas de coupure réseau, seul le frein mécanique assure l immobilisation de la charge. Mécanique du solide Page 28 sur 33

29 4. Problèmes d application 4.1. Enrouleur Mécanique du solide Page 29 sur 33

30 4.2. Véhicule automoteur Mécanique du solide Page 30 sur 33

31 Mécanique du solide Page 31 sur 33

32 4.3. Traction électrique Mécanique du solide Page 32 sur 33

33 Mécanique du solide Page 33 sur 33